（物理化学专业论文）多羰基化合物互变异构及构效关系的理论研究.pdf

摘要 本论文围绕着多羰基化合物互变异构以及结构与活性关系进行了理论研究， 全文共分四部分，概括如下： 第一部分针对于具有活性的2 一酰基一1 ，3 - 环二酮类化合物存在的互变异构 现象，用量子化学从头算理论进行了研究。首次考查了环的结构变化以及溶剂效 应对其互变异构的影响。基组采用押2 6 3 l + g 料b 3 l y p 6 3 1 + g 十球水平，对1 2 种含不同环的2 一酰基一1 ，3 - 环二酮类衍生物系统地研究了它们的互变异构性质， 探讨了环的饱和性、环的大小、环上杂原子以及溶剂效应对各互变异构体相对稳 定性的影响。将计算结果与剑桥晶体结构数据库( c s d5 2 3 ) 搜索的结果进行了 对比，证实了我们理论计算的可靠性。结果显示：未烯醇化的异构体由于无法形 成分子内氢键而具有较高的能量；环上杂原子的推电子效应提高了邻位羰基氧上 的负电荷，从而有利于相应环外烯醇式异构体的稳定：为了定量地表征某些异构 体的芳香性，我们对其进行了化学位移的计算，获得了环中心点的核无关化学位 移值( n i c s ) 。利用n i c s 值首次成功地解释了化合物3 一酰基一1 h 一吡啶一2 ，4 一二酮， 3 一酰基吡喃一2 ，4 一二酮，2 一酰基环戊一4 一烯一1 ，3 - - - 酮和3 一酰基吡咯一2 ，4 一二酮等 异构体的相对稳定性，发现环的芳香性在各异构体的相对稳定性中扮演着决定性 的作用。相对而言，溶剂效应的影响较为有限。 其后，我们利用三维构效关系对h p p d 酶的高效抑制剂2 一( 2 一硝基一4 一三氟甲 基苄基) 一环己烷一1 ，3 - 二酮( n t b c ) 的活性结构进行了研究。基于理论计算得到 的n t b c 的稳定异构体结构与实验观测结构不一致的事实，利用比较分子力场 ( c o m f a ) 和比较分子相似性指数( c o m s i a ) 的分析方法对n t b c 可能存在的五种 活性结构分别进行了三维构效分析，最终由c o m f a 分析得到的最佳模型所对应的 n t b c 的活性结构与动力学实验推测的结合模式相吻合。这为进一步研究h p p d 与 n t b c 作用的机理提供了理论依据。本文首次成功地将传统的构象关系研究方法 c o m f a 和c o m s i a 应用于配体活性结构的预测。 第三部分工作是对杨定亚在合成2 一酰基一1 ，3 一环己二酮类化合物的衍生物 时意外发现的烯酯异构化反应机理进行了研究。从量子化学角度分别对由杨定亚 以及本文提出的两种可能的异构化机理进行了理论计算，同时考查了三乙基胺溶 液的溶剂化效应和催化效应对两种反应过程能垒的影响。计算结果表明：与杨定 亚提出的反应机理相比，我们提出的异构化反应机理由于具有较低的活化能而具 有更大的竞争优势。 最后，为了揭示二酮类化合物辅酶p q q 结构与反应性的关系，根据辅酶p q q 的结构设计了一系列模型化合物，在b 3 l y p d 9 5 ( d ，p ) 水平上对一系列p q q 模型 化台物及其类似物与氨的亲核加成进行了理论计算。结果表明：对单羰基体系， 羰基碳的亲电性对反应能垒有重要的影响；对双羰基体系，过渡态中邻位羰基氧 与亲核试剂氨上的h 形成的氢键对反应的活化能起着关键的作用；稠合芳香环本 身对反应的能垒影响不大，但当稠合杂环的卜位为可提供氢键受体的n 原子时， 出于n ，与氨上h 原子问可形成氢键而进一步降低反应的活化能。定量方面，我 们发现过渡态中被进攻羰基与氨上n 原子之间形成的夹角( o c n ) 与活化能有良好 的线性关系。意味着分予内氢键的稳定化作用是影响羰基化合物与氨加成反应能 垒最重要的因素。以上结论对进一步设计高活性的醌型催化剂提供了可靠的理论 基础。 关键词2 一酰基一l ，3 一环二酮，互变异构，溶剂效应，比较分子力场( c o m f a ) ，比 较分予相似性指数( c o m s i a ) ，2 一( 2 一硝基一4 一三氟甲基苄基) 一环己烷一l ，3 - 二酮 ( n t b c ) ，对羟苯基丙酮酸双氧化酶( h p p d ) ，吡咯喹啉醌，1 ，3 - h 迁移，l ，5 一h 迁移 a b s t r a c t t h et h e s i si sa b o u tt h e o r e t i c a lc a l c u l a t i o no nt a u t o m e r i s ma n dt h er e l a t i o n s h i p b e t w e e nt h ea c t i v i t ya n ds t r u c t u r eo fm u l t i c a r b o n y lc o m p o u n d t h e r ea r ef o u rm a i n p a r t s ： i nt h ef i r s tp a r t t h ec a l c u l a t i o n sw e r ep e r f o r m e da t 如i n i t ol e v e lf o rt h ep o s s i b l e t a n t o m e r so f2 - a c e t y c y c l e l ，3 - d i o n ed e r i v a t i v e s b o t ht h ei n f l u e n c e so ft h er i n g s t r u c t u r ea n ds o l v e n te f f e c to nt h er e l a t i v es t a b i l i t yo ft h et a n t o m e r sw e r ee x a m i n e d 1 2k i n d so fd e r i v a t i v ef r o m2 - a c e t y l - c y c l o - 1 3 - d i o n ew i t hd i f f e r e n tt i n g ss t r u c t u r e w e r es t u d i e d t h ei n f l u e n c e so ft h es a t u r a t i o nd e g r e eo fr i n g s ，t h er i n gs i z e ，t h e h e t e r o a t o m si nt h er i n ga n dt h ep o l a r i t yo fs o l v e n to nt h er e l a t i v es t a b i l i t yo ft h e m u m m e r sw e r ed i s c u s s e d t h er e l i a b i l i t yo ft h e o r e t i c a lc a l c u l a t i o ni sv e r i f i e db y c o m p a r i n gt h ec a l c u l a t e dr e s u l t sw i t ht h es e a r c h i n gr e s u l t sf r o mc a m b r i d g es t r u c t u r a l d a t a b a s e i ti sd e m o n s t r a t e dt h a tu n e n o l i a z t e di s o m e r sp o s s e s sh i 曲e n e r g yb e c a u s eo f t h ea b i e n c eo fi n t r a m o l e c u l a rh y d r o g e nb o n d ，a n dt h en e g a t i v ec h a r g e so nc a r b o n y l o x y g e na r ei n c r e a s e dd u e t ot h ee l e c t r o n - d o n a t i n ge f f e c to f t h eh e t e r o a t o mi nt h er i n g ， w h i c hi si nf a v o ro ft h es t a b i l i t yo ft h ec o r r e s p o n d i n ge x o c y c l i ce n o l t a u t o m e r i n o r d e rt oe x p r e s st h ea r o m a t i c i t yo fs o m ec o m p o u n d sq u a n t i t a t e l y , w ec a l c u l a t e n u c l e u s - i n d e p e n d e n tc h e m i c a ls h i f i s ( n i c s ) a n dg e tt h en i c sv a l u eo ft h ec e n t r i c p o i n t i n r i n g t h en i c sv a l u ee l u c i d a t e ds u c c e s s f u l l yt h er e l a t i v es t a b i l i t y o f c o m p o u n d s ，s u c h a s 3 - a e e t y l 一1 h - p y r i d i n e - 2 ，4 d i o n e ，2 - a c e t y l - p y r a n - 2 ，4 一d i o n e ， 2 - a c e t y l c y c l o p e n t 一4 一e n e 一1 ，3 一d i o n ea n d2 - a c e t y l - p y r r o l e - 2 , 4 - d i o n e w ea l s of o u n d t h a tt h ea r o m a t i e i t yo fr i n gp l a y sac r u c i a lr o l ei nt h er e l a t i v es t a b i l i t yo f t h ei s o m e r s ， a n dt h ei n f l u e n c e so ft h ep o l a r i t yo fs o l v e n to nt a u t o m e r i z mc o u l db e i g n o r e d r e l a t i v e l y i i lt h es e c o n d p a r t ，t h e a c t i v et a n t o m e ro ft h e h p p d i n h i b i t o r , 2 - 2 - n i t r o - 4 一( t r i f l o u r o m e t h y l ) - b e n z o y l 一1 ，3 一c y c l o h e x a n e d i o n e ( t e r s e ) w a ss t u d i e db y t h eq u a n t i t a t i v es t r u c t u r e - a c t i v i t yr e l a t i o n s h i p b a s e do nt h ef a c tt h a tt h es t a b l e t a u t o m e ro fn t b cb yc a l c u l a t i o ni sd i f f e r e n tf r o m 出戤f r o mx - r a ye x p e r i m e n t , t h e q u a n t i t a t i v es t r u c t u r e - a c t i v i t yr e l a t i o n s h i p ( c o m p a r a t i v em o l e c u l a rf i e l da n a l y s i s ， c , o m f aa n dc o m p a r a t i v em o l e c u l a rs i m i l a r i t yi n d e x ，c o m s i a ) w e r es t u d i e do nt h e f i v ep o s s i b l ea c t i v et a u t o m e r si no r d e rt oc o n j e c t u r et h es t r u c t u r eo fn t b cb i n d i n g w i t hh p p d i tw a sf o u n dt h a tt h et a u t o m e rg e n e r a t i n gt h eb e s tm o d e lo fc o m f ai s c o i n c i d e n tw i t ht h a ts p e c u l a t e df r o mt h ed y n a m i ce x p e r i m e n t , w h i c ho f f e rt h e o r e t i c a l f o u n d a t i o nf o rr e s e a r c h i n gt h eb i n d i n gp a t t e r n i ti st h ef i r s tt i m et h a tt h et r a d i t i o n a l s t r u c t u r e a c t i v i t yr e l a t i o n s h i pw a sa p p l i e dt op r e d i c tt h ea c t i v es t r u c t u r eo fl i g a n d s u c c e s s f u l l y a d d i t i o n a l l y , t h eq u a n t u mc h e m i c a ls t u d yo nt h ei s o m e r i z a t i o nm e c h a n i s mo f t h ee n o l e s t e ro f2 - a e y l 一1 ，3 - c y c l o h e x a n e d i o n ew a sp e r f o r m e d ，w h i c hw a sd i s c o v e r e db yy a n g w h e nh es y n t h e s i z e dt h ed e r i v a t eo f2 - a e y t 一1 ，3 一c y c l o h e x a n e d i o n e t h et w op o s s i b l e r e a c t i o nm e c h a n i s mp r o p o s e db y y a n ga n du sw e r ec a l c u l a t e da tt h el e v e lo f b 3 l y p 6 - 3 1 g * ，a n dt h ei n f l u e n c e so f s o l v e n te f f e c ta n dc a t a l y t i ce f f e c to f t r i e t h y l a m i n e o ne n e r g yb a r r i e r so fb o t hm e c h a n i s m sw e r ee x a m i n e d t h er e s u l t sr e v e a l e dt h a tt h e m e c h a n i s mp r o p o s e db yu si se n e r g e t i c a l l yf a v o r a b l e f i n a l l xas e r i e s o fm o d e lc o m p o u n d sw e r ed e s i g n e db a s e do nt h ec o e n z y m e p y r r o l o q u i n o l i n eq u i n o n ep q qi no r d e rt or e v e a l t h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nt h e s t r u c t u r eo fd i k e t o n ec o m p o u n da n dt h e i ra c t i v i t y t h e n u c l e o p h i l i ca d d i t i o n so f a m m o n i aw i t has e r i e so fp q qm o d e la sw e l la st h e i ra n a l o g u e sw e r ei n v e s t i g a t e da t t h eb 3 l y p d 9 5 ( d p ) l e v e lo ft h e o r y i ti sd e m o n s t r a t e dt h a t ：f o rt h em o n o c a r b o n y l s y s t e m ，t h ee l e c t r o p h i l i c i t yo ft h ec a r b o n y lc a r b o na f f e c t sal o tt h er e a c t i v ee n e r g y b a r r i e r ；f o rt h eb i s c a r b o n y ls y s t e m ，t h eh y d r o g e nb o n d ，w h i c hi sf o r m e di nt r a n s i t i o n s t a t eb e t w e e nt h eh y d r o g e no f t h en u c l e p h i l i cr e a g e n ta m i n ea n dt h ec a r b o n y lo x y g e n i no r t h o - p o s i f i o ni sc r u c i a lf o rr e a c t i o na c t i v a t i o ne n e r g y ；a l t h o u g hc o n d e n s e d a r o m a t i c sh a sl i t t l ee f f e c to nr e a c t i v eb a r r i e r , t h er e a c t i o na c t i v a t i o ne n e r g yc a l lb e s i g n i f i c a n t l yr e d u c e dd u et ot h eh y d r o g e nb o n db e t w e e nh o fa m i n ea n dn 1 g i v e n t h e r ei so n en i t r o g e na t o mi nt h e1 - p o s i t i o n ag o o dl i n e a rc o r r e l a t i o nh a sb e e nf o u n d q u a n t i t a t i v e l yb e t w e e nt h er e a c t i o na c t i v a t i o ne n e r g ya n dt h ea n g l e ( o c n ) b e t w e e n t h ea t t a c k e dc a r b o n y la n dt h eho fa m i n e ，w h i c hi m p l yt h a tt h es t a b i l i z i n ge f f e c to f i n t r a m o l e c u l a rh y d r o g e nb o n di st h em o s ti m p o r t a n tf a c t o ro nt h ee n e r g yb a r r i e r sf o r t h en u c l e o p h i l i ca d d i t i o n so fa m m o n i aw i t he a r b o n y lc o m p o u n d a l lc o n c l u s i o n s g a i n e dp r o v i d er e l i a b l et h e o r e t i c a lb a s i sf o rf l l r t h e rd e s i g n i n gh i g ha c t i v eq u i n o n e c a t a l y s t k e y w o r d s2 - a c e t y l - c y c l o 1 ，3 一d i o n e ，t a u t o m c r i z m ，s o l v e n te f f e c t , c o m p a r a t i v em o l e c u l a r h e l da n a l y s i s ( c o m f a ) ，c o m p a r a t i v em o l e c u l a r s i m i l a r i t yi n d e x ( c o m s i a ) ， 2 【2 一n i t r o 一4 一( t r i f l o u r o m e t h y l ) - b e n z o y l 一1 ，3 - c y c l o h e x a n e d i o n e ( n t b c ) ，h p p d ， p y r r o l o q u i n o l i n eq u i n o n e , 1 , 3 - hs i f t i t , 1 , 5 - hs h i f t 浙江大学博士学位论文 第一章绪论 第一节文献综述 1 1 1 计算机辅助药物设计的基本原理 计算机辅助药物设计( c o m p u t e r - a i d e dd r u gd e s i g n ，c a d d ) 方法在最近几年 呈现出了突飞猛进的势头，已经从原来的基础理论研究发展成为一门实用性的学 科，许多由c a d d 设计和c a d d 参与设计的药物已经相继上市或进入临床研究。 因此，近年来应用各种理论计算方法和分子模拟技术，进行计算机辅助药物设计， 在国际上已经成为十分活跃的研究领域。由于c a d d 方法能够有效地加速新药 研究和开发的进程，已经成为广大药学和生命科学研究者普遍认同的观点。 c a d d 常用的方法有两种f j 】：受体三维结构未知情况下的间接药物设计；受体生 物大分子三维结构已知情况下的直接药物设计。 1 、间接药物设计 在缺乏受体生物大分子三维结构的情况下，以药物小分子构效关系研究为基 础，结合分予模拟，建立一系列具有相同药理作用分子的药效关系模型和构效关 系q s a r ( q u a n t i t a t i v es t r u c t u r ea c t i v i t yr e l a t i o n s h i p ) 模型，以预测新的化合物 的生物活性，或者用数据库搜寻以及其它药物设计方法设计新的先导化合物。 2 、直接药物设计 随着分子生物学和x 射线衍射晶体学、多维核磁共振( m d - n m r ) 等结构 测定技术的不断发展，许多受体生物大分子晶体的三维结构已经被测出，通常配 体( 1 i g a n d ) 与受体( r e c e p t o r ) 结合时，必须遵循以下互补匹配原则：几何形状 互补匹配；静电相互作用互补匹配( 正电荷对应负电荷) ；氢键相互作用互补匹 配( 氢键供体对应氢键受体) ；疏水相互作用匹配( 疏水区对应疏水区) 。f i s c h e r l 2 】 早在1 8 9 4 年就提出了生物大分子( 如酶) 与配体( 如药物) 作用的锁钥机理( 1 0 c k a n dk e yp r i n c i p l e ) ，它的基本思想是：在设计一种酶的抑制剂时，首先将该酶作 为靶标( 即受体) ，然后为受体配景一把钥匙( 配体) ，用分子对接方法直接从数 浙江大学博士学位心文 据库中搜索与靶标活性部位或结合部位的结构相匹配的化合物，并预测他们的结 合模式，锁钥机理很好地反映了配体和受体的互补性原则。利用c a d d 的基本 方法，通过三维数据库结构搜索，以寻找附和药效基团模型的化合物，或者对现 有的化合物进行修饰，为新药的设计提供理论基础。 1 1 2 计算机辅助药物设计与互变异构关系 计算机辅助药物设计需要拥有完善的包含化合物的三维结构信息的化学数 据库。现有的三维晶体结构实验数据的主要来源是x 射线衍射或者核磁共振n m r 测定的结果。这些化合物信息以电子形式被储存在数据库中。现在大部分有机小 分子的晶体结构已经被剑桥结构数据库( c a m b r i d g es t r u c t u r a ld a t a b a s e ，c s d ) 收录，类似的化学数据库还有：现有化学品目录( a v a i a b l ec h e m i c a l s d i r e c z o r y ) 、美国化学文摘数据库( c h e m i c a la b a t r a c t sd a t a b a s e ，a c d ) 、美 国国立癌症研究所数据库( n a t i o n a lc a n c e li n s t i t u t ed a t a b a s e ，n c i ) 等。 这些数据库被用于药物分子的筛选和修饰0 3 。 用计算机辅助药物设计方法寻找先导化合物的关键是数据库中所能提供的 化合物结构的可靠性。由于药物起药效作用的生物体环境与x 射线衍射或核磁 共振的实验条件不同，同一种化合物在不同环境下的优势结构有所差异。尤其对 存在互变异构现象的化合物，数据库不一定包涵该化合物的所有可能的互变异构 体，或者所收录的化合物构象不是起药效时的结构。椐t r e p a l i n “3 估计，用于药 物筛选的已经商业化的数据库中考虑到化合物互变异构现象的只占总数的0 5 ，可见大量的具有互变异构性质的化合物的所有可能结构没有被数据库收录。 由于不同的互变异构体在其化学结构、物理化学性质等方面的差异，我们可以设 想，将这种没有考虑化合物互变异构的数据库用于某一种靶标酶的先导药物的筛 选，其成功率将大大降低。下面举例说明不同的互变异构体对药物筛选所产生的 影响。 不同的异构体因化学结构的差异而具有不同的分子描述子，例如图l 所示 的化舍物4 羟基吡啶的一对互变异构体。1 ，两个异构体的疏水常数分别为o 9 3 ( 1 ) 和一1 3 1 ( 2 ) ，差别较大，在进行药物的q s a r 研究中，疏水常数是用于描 浙江大学博士学位论文 述化合物疏水性质的一个非常重要的描述子，由于这对异构体在不同溶液环境如 水或辛醇中的存在形式不同，在建立q s a r 模型时，如果选择不合适的异构体将 直接影响模型的可靠性。 2 图l4 一羟基吡啶的互变异构反应 f i g u r e1 i s o m e r i z a t i o no f 4 - h y d r o x y p y r i d i n e 在计算机辅助药物设计中常用的另一种方法是相似性搜寻，它使用结构相似 性的指标，在数据库中搜寻与输入的提问结构相似的分子，按相似性递减顺序进 行分级排序，从数据库中找出相似性大于某一设定值的所有分子。可是对于某些 具有互变异构现象的化合物，其不同的互变异构体之间的相似程度表面上看似非 常低，甚至被认为是两种不同的分子，如图2 所示的化合物具有两种互变异构形 式，但它们的相似性指数仅为0 1 9 6 “”，非常低，常常被认为是两个结构差异非 常大的分子而忽略了因其互变异构平衡而可能发生相互之间的转化，所以在进行 相似性搜索时，输出结果将其中个异构体漏掉而影响后续的设计结果。 h o 3 4 图24 - 亚硝基苯酚的互变异构反应 f i g u r e2i s o m e r i z a t i o no f4 - n i t r o s o p h e n o l n o h 浙江大学博士学位论文 众所周知的四环素是广普抗菌药物，半经验计算表明四环素呈现出多个异构 体之间的平衡，如果只考虑四个质子转移的情况，就有6 4 种互变异构体，它在 不同的介质中以不同的异构体形式存在而表现出不同的化学性质，d u a r t e ”1 称该 化合物是变色龙。图3 给出了四环素分子的一种异构形式，在利用分子对接技术 来预测四环素与某一受体的结合模式时，如果采用了不合适的异构体形式，会导 致错误的预测结果。 图3 四环素的一种互变异构体 f i g u r e3 i s o m e r i z a t i o no f t e w a c y c l i n e 在配体与受体的复合物晶体结构未知情况下进行药物分子的间接设计时，如 何确定药物的活性异构体形式一直是困扰药物设计工作者的一个主要问题，需要 解决的关键问题是如何确定药效结构。理论和实验研究表明：药物在溶液中的最 稳定结构不一定就是药效结构。一般是采用模拟受体与配体的结合模式以推测化 合物的药效结构，为进一步修饰该化合物以提高其生物活性提供理论基础。l o p e z ”1 研究了5 一羟基胺( 受体) 和苯并眯唑衍生物( 配体) 之间的结合模式。苯并 咪唑可能存在的稳定异构体如图4 所示，在羧酸酯溶液中因结构i i b 含有分子内 氢键而稳定存在，但是通过n m r 和x r a y 的实验方法及理论计算确定了复合物 中配体的药效结构为ia ，因为ia 中的羰基可以作为氢键受体与底物结合。该 体系表明低能量异构体不一定是药效结构。 浙江太学博士母位论文 另外通过计算受体与配体的结合能也是推断药效结构的方法，如圈5 所示， 葳耪爨嚣一糖蛰酶，冀季露毒裁必嫫泠愆燕秘，其骞霆耪霹藐豹簿擒髂形式，诗冀 得到受体n 一精苷酶与蝶呤衍嫩物的异构体3 的结合能为一2 8 2 k c a l m o l ，与髀 褐俸1 酌结合糖为- 2 1 。5 k c a l m o l ，璎论上受钵应该饶先与要椽俸3 结合，y a h “” 通过x 衍射也观测到熨合物中底物的确是以异构体3 相结合的，而该抑制剂蝶呤 衍生秘在水溶液中的稳定结稳为异梅体l ，由诧进一步说嚼该体系孛配体的低髓 结构不是药效结构。 r x 爿 1 8 r x ，y lr = h c i r i ；h ，c ，酗 x = n i l 0 y = 嘛i c m o i e t y i a i a惦 图4 苯并咪唑衍生物的互变异构平衡 f i g u r e4 i s o m e r i z a t i o no f b e n z i m i d a o l ed e r i v a t i v e 图5 蝶呤的四种异构体 f i g u r e5 f o u rt a u t o m e r so f p t e r i n 浙江大学博士学位论文 现有的数据库中虽然提供了大量的复合物晶体结构，但是只通过观测其配体 与受体的结合模式，很难确定配体与受体结合时的具体结构，如作为h p p d 酶抑 制剂的高效除草剂2 一( 2 一硝基一4 一三氟甲基苄基) 一环已烷一1 ，3 一二酮 ( 2 一 2 一n i t r o - 4 ( t r i f l o u r o m e t h y l ) - b e n z 0 1 一1 ，3 一c y c l o h e x a n e d i o n e ，n t b c ) ，属于三酮 类化合物，存在多种互变异构体，其与底物h p p d 的复合物h p p d n t b c 的晶体结 构只能显示二者结合的大致模式“，如图6 所示，抑制剂n t b c 分予中的o 。和0 9 原子与h p p d 的活性中心铁离子键合，由于通过n m r 方法不能观测到h 原子的具 体位置，所以n t b c 在复合物中到底是以哪一种异构体形式存在，仍然是未知的。 d 1 、h h 2 帅 图6 n t b c 与h p p d 结合模式 f i g u r e6 t h ei n t e r a c t i o n0 f n t b ca n dh p p d 图7m m p 一8 与r 0 2 0 0 1 7 0 0 结合模式 f i g u r e7 t h ei n t e r a c t i o no f m m p 一8a n dr 0 2 0 0 1 7 0 0 6 9 7运 浙江大学博士学位论文 图7 给出了靶标酶m m p 一8 与抑制剂r 0 2 0 0 - 1 7 0 0 的结合模式“，从图可以明 显看出：0 ：与底物中的活性中心锌离子键合；0 2 上的羟基h 与残基g l u l 9 8 形成 氢键；与n ，相连的h 与残基a l a l 6 1 形成氢键；魄与相邻的残基a l a l 6 0 形成氢键； 疏水基团苯环和杂环己基进入底物的疏水口袋。说明抑制剂r 0 2 0 0 1 7 0 0 以烯醇 式结构为药效构象，但其在水溶液中则以酮式为优势构象。这一例子同样说明低 能构象不一定是药物的活性结构，需要从底物与配体的结合模式来推测配体的药 效构象。 以上例子表明：通过计算机辅助药物设计设计新的药物的关键是确定药效结 构，对于存在互变异构现象的化合物，合理确定该化合物在生物体环境下的优势 结构是成功设计药物的关键。 1 1 32 - 酰基i ，3 环二酮类化合物的生物活性 2 一酰基一1 ，3 一环二酮属于三酮类化合物( 如图8 所示) ，是早在1 0 0 年前被发 现并从植物液中提取的天然产物，有关它的生物活性已经得以广泛的研究。发现 其衍生物呈现各种各样的生物活性，已经被广泛用于传统和现代医药的开发和研 制中“”1 。如含有氮原子的五元杂环的三酮类化合物，3 一酰基2 ，4 一吡啶二 酮( 图8 所示，3 - a c e t y l p y r r o l i d i n e 一2 ，4 - d i o n e s ，a p d ) 最早也是从一种植物 液中提取得到的，实验发现a p d 表现出广普的抗菌效果“”，对几种病毒如m e f l 、 e c h o _ 9 、h f 、p a r a i n f u e n z a - - 3 、v a c c i n i a 具有良好的抑制作用，特别得，它 还具有抑制人类腺癌的生长的作用，尽管a p d 表现出的各种各样的生物活性，但 是由于它对人体强烈的毒副作用，使该类化合物在医药上的应用受到了很大的限 制，所以以a p d 为先导化合物，利用计算机药物辅助设计方法对这种化合物进行 结构的改造以达到保留其生物活性，降低生物毒性是当务之急。 含有氧原子的五原杂环的三酮类化合物3 一酰基一2 ，4 一呋喃二酮( 图8 所 示) 也是一种天然产物，具有抗菌、抗毒瘤等生物活性“”。 另一类比较重要的化合物是如图8 所示的具有六元环的2 一酰基一l ，3 一环己二 酮( 2 - - a c e t y l c y c l o h e x a n e l ，3 - d i o n e s ) 类的衍生物“，它们也呈现出良好的 生物活性，其中两个具有代表性的化合物是如图9 所示的2 一( 2 一硝基一4 一三氟甲 浙江大学博士学位论文 基苯甲酰) 一1 ，3 一环己二酮( n t b c ) 和2 一( 2 一氯一4 一甲基磺酰基一苯甲酰) 一1 ，3 - 环己 二酮( s u k c o t r i o n e ) ，它们不仅对于治疗人体酪氨酸过多症有显著疗效，而且是 高效的除草剂，其对h p p d 酶的抑制活性i c 。值分别为0 0 4 1 a m 和0 0 4 5 肚m 。动 力学研究结果表明这类化合物是靶标酶h p p d 的抑制剂，它与底物对羟苯基丙酮 酸( h p p ) 键合到靶标对羟苯基丙酮酸双氧化酶( h p p d ) 的同一部位，是底物的竞争 抑制剂。另外，该宫能团还作为氨基保护基以及用于固相肽合成的中间体”2 。 将该化合物中引入氧原子后，如图8 所示的6 一甲基一3 一酰基一2 ，4 毗喃二酮 也具有抗菌活性。 有关2 一溅基一1 ，3 - 环二酮类化会物的合成、生物活性以及构效关系的研究已 有大量报道。近年来合成了大量该黉化合物的衍生物，如包括五元环、六元环、 环上引入的杂愿子潋及双键等各耪务榉懿化含麴用予磅划不网载抗麓药物。 r r 2 一酰赫一1 ，3 - 环二二酮2 一酰基一1 ，3 - 环己二酮 z 7 3 酰蒸2 4 吡啶二酮3 一酰基一2 ，4 姨喃= 酮 即举基一3 载羞一2 ，虢噙二鞠 图82 一酰基一l ，3 一环己二酮类衍生物 f i g u m8 d e r i v a t i v e so f 2 - - a c e t y l e y c l o h e x a n c 1 ，3 - d i o n e s 浙江太学博士学位论文 f n t b c s u l c o 订i o n e 图9 两类高效h p p d 抑制剂 f i g u r e9 t w ok i n d so fi n h i b i t o rf o rh p p d 1 1 42 - 酰基1 ，3 一环二酮类化合物的互变异构现象 由于2 一酰基一1 ，3 一环二酮类化合物存在酮式一烯醇式互变异构现象，故2 一 酰基一1 ，3 - 环二酮化合物具有多种可能的互变异构体。酮式一烯醇式互变异构现 象属于分子内的质子转移。质子转移在化合物的生物活性中扮演了重要角色 1 3 0 - 4 6 ，许多生物体内的反应都与质子转移有关，所以说分子内的质子转移是有机 化学和生物化学中的一个重要的研究课题，对解释有机化学反应机理和生命现象 有着极其重要的意义【4 7 。8 。例如d n a 链的互变异构导致的错位修复是d n a 复制错 误的原因之一f 8 l ，跎l 。又如蛋白质的多肽链、核酸的多核苷酸链等物质中的甲酰胺 官能团一c o n h 一中的质子迁移是蛋白质变异的主要原因”，该过程也称为酮一烯醇 的互变异构，它是生物化学中最为普遍的现象。近十年来，对2 一酰基一l ，3 一环二 酮类化合物互变异构反应机理以及影响因素的研究已经有大量的报道【8 4 9 0 】。但是 针对于2 一酰基一l ，3 一环二酮类化合物分子中环的变化( 如环的大小、杂原子、环 的饱和行等因素) 对互变异构平衡的影响未见报道。2 一酰基一1 ，3 一环二酮类化合 物呈现出各种各样的生物活性主要依赖于其化学结构，由于药物和受体相互作用 在空间结构的严格互补性，确定2 一酰基一1 ，3 一环二酮类化合物分子与底物相互作 用时的药效结构对探讨药物和受体相互作用机理及寻找新的药物具有十分重要 的作用。 1 1 5n t b c 类似物药效构象的研究 9 浙江大学博士学位论文 1 1 5 1n t b c 类似物对h p p d 酶的抑制作用 对羟基苯基丙酮酸双氧化酶( 4 _ h y d r o x y p h e n y l p y r u v a t ed i o x y g e n a s e ，h p p d ) 存在于各种生物体中并被提取出来”“，它是一种铁一酪氨酸蛋白m 1 ，在植物体内 可将对羟基丙酮酸( 4 _ h y d r o x y p h e n y l p y r u v a t e ，h p p ) 催化转化为尿黑酸 ( 2 ，5 - d i h y d r o x y p h e n y l a c e t a t e ，h g a ) ”，进而转化为光合作用中电子传递所需 要的重要物质质体醌和生育酚嘲一，其中质体醌还是影响八氢番茄红素去饱和酶 催化的关键辅助因素啡3 ，h p p d 酶抑制剂在植物体内直接抑制h p p 转化为h g a ，间接 抑制了质体醌和生育酚甚至类胡萝l 素的生成，使植物在新生长部位的分生组织 中出现白化症状，从而达到除草效果，所以h p p d 酶是继a l s 、a c c 以及p r o t o x 之 后的又一新的除草剂靶标酶，该酶抑制剂用于除草方面时具有广谱、高效、残留 低、环境相容性好、使用安全的特点，且尚未发现有关其抗药性的报道m ，e l l i s 等”3 发现2 一( 2 一硝基一4 一三氟甲基苄基) 一环己烷一1 ，3 - 二酮( n t b c ) 和2 一( 2 - 氯 4 一甲基磺酰基苄基) 一环己烷一l ，3 一二酮( c m b c ) 均是通过抑制植物体内h p p d 而表 现出显著的除草活性的。同时，n t b c 在临床上已经应用于治疗酪氨酸综合症，并 且对人体无不良作用。h p p d 在人及其它哺乳动物体内的主要作用是促进酪氨酸 的代谢，而且它还能够催化代谢因富马酸乙酰乙酯酶缺乏活性而积累的琥珀酰基 乙酰乙酸乙酯等体内物质而导致形成对肝肾有毒的代谢物( 即酪氨酸病产生的根 本原因) 。h p p d 抑制剂的使用，抑制了催化降解过程的发生，进而抑制了有毒( 副) 产物的形成，从而达到了治疗疾病的目的“。鉴于以上原因，关于h p p d 酶抑制 荆的作用机理的研究成为近年来研究的热点。 1 1 5 2n t b c 与h p p d 的结合模式